mironov_book
.pdf101
2.5. Ближнепольная оптическая микроскопия
Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер (R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ:
R ≈ 2λn ,
где n - показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200÷300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше.
Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).
P0 |
|
λ0 |
(а) |
2а |
2a<<λ0 |
(б) |
E 2 |
=const |
Рис. 96. (а) - Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой. (б) - Линии постоянной интенсивности оптического излучения в области субволнового отверстия
При прохождении света через субволновое отверстие наблюдается ряд особенностей [47,48]. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100 а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в
102 |
Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии |
виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100 a располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле [48]:
P = |
128 |
k 4 a6 W , |
tr |
27π |
0 |
|
где k – волновой вектор, W0 – плотность мощности падающего излучения. Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ = 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет по порядку величин 10-10 от мощности падающего излучения. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения растровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно. Однако, если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы I( x, y ) . Контраст на
БОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.
Зонды БОМ на основе оптического волокна
На сегодняшний день существует несколько схем реализации ближнепольного оптического микроскопа. Наиболее широкое применение нашли БОМ с зондами на основе оптического волокна, представляющего собой аксиально-симметричный оптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления
(рис.97).
Рис. 97. Схематическое изображение строения оптического волокна
103
Оптическое волокно состоит из сердцевины (core) и оболочки (cladding). Снаружи волокно покрывается защитным слоем. Сердцевина и оболочка изготавливаются, как правило, из особого кварцевого стекла. При этом стекло, используемое для оболочки, имеет меньший показатель преломления, чем стекло для сердцевины. (На практике показатель преломления стекла регулируется с помощь легирующих добавок, так что коэффициенты преломления сердцевины и оболочки различаются на величины порядка 1%). Такая система, вследствие явления полного внутреннего отражения, позволяет локализовать оптическое излучение в области сердцевины и практически без потерь транспортировать его на большие расстояния.
Зонды для БОМ изготавливаются следующим образом [см. например 49]. Очищенный от защитного слоя конец оптического волокна погружается в раствор, состоящий из двух несмешивающихся жидкостей – смеси HF, NH4F, H2O, которая является травителем для кварца, и жидкости с меньшей плотностью, например, толуола. Толуол располагается поверх травителя и служит для формирования мениска смачивания на границе толуол-травитель-волокно (Рис. 98 (а)). По мере травления толщина волокна уменьшается, что приводит к уменьшению высоты мениска. В результате в процессе травления на конце волокна происходит формирование конусообразного острия (рис. 92 (б)) с характерными размерами меньше 100 нм. Затем кончик зонда покрывается тонким слоем металла. Покрытие наносится с помощью вакуумного напыления под углом порядка 30º к оси волокна, так что на кончике острия в области тени остается незапыленный участок малой апертуры, который и является ближнепольным источником излучения. Оптимальный угол при вершине зондов составляет порядка 20º .
толуол |
|
металл |
HF+NH4F+H2O |
|
|
(а) |
(б) |
(в) |
Рис. 98. Изготовление БОМ зондов на основе оптического волокна: (а) –химическое травление волокна; (б) – вид кончика волокна после травления; (в) – напыление тонкой пленки металла.
104 |
Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии |
|
"Shear-force" метод контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольном оптическом микроскопе
Для работы БОМ необходимо удерживать зонд над поверхностью на расстояниях порядка 10 нм и менее. Существуют различные решения данной проблемы, однако наиболее широкое распространение получили БОМ с так называемым "shear force" методом контроля расстояния между зондом и образцом.
Пьезовибратор
Зонд
A0 Sin(ωt)
Кварцевый резонатор
U(t)
Клей
Рис. 99. Схема “shear-force” датчика расстояния зонд-поверхность на основе кварцевого резонатора камертонного типа
Чаще всего применяются схемы "shear-force" контроля с использованием пьезодатчика на основе кварцевого резонатора камертонного типа (рис. 99.). Зонд БОМ крепится к кварцевому резонатору с помощью клея. Вынужденные колебания камертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд - кварцевый резонатор, возбуждаются с помощью дополнительного пьезовибратора. При этом зонд совершает колебательное движение параллельно поверхности образца. Измерение силы взаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрации изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частоте возбуждения (по переменной составляющей напряжения на электродах резонатора U(t)). Теория "shear force" контроля достаточно сложна, и здесь мы ограничимся лишь качественными соображениями. При сближении зонда и образца наблюдаются несколько эффектов. Во-первых, появляется дополнительное диссипативное взаимодействие зонда с поверхностью за счет сил вязкого трения (в тонкой прослойке воздуха, прилегающего к поверхности, и в тонком слое адсорбированных молекул на поверхности образца).
105
Слой |
Frd |
Frd |
адсорбата |
|
|
|
|
|
Рис. 100. Диссипативные силы, действующие на зонд, и смена моды колебаний зонда вблизи поверхности образца.
Это приводит к уменьшению добротности системы, а следовательно, к уменьшению амплитуды колебаний и уширению АЧХ И ФЧХ системы зонд-резонатор на резонансной частоте. Во-вторых, при малых расстояниях зонд-поверхность происходит изменение моды колебаний в системе зонд – резонатор. В свободном состоянии мода колебаний соответствует колебаниям стержня со свободным концом, а при сближении с образцом (в пределе при касании зонда поверхности) переходит в колебания стержня с закрепленным концом. Это приводит к увеличению резонансной частоты в системе зонд-резонатор, т.е. сдвигу АЧХ в сторону более высоких частот. Экспериментально данные явления наблюдались в работах [50,51]. Изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний в системе зонд-резонатор используются в качестве сигналов обратной связи для контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольных оптических микроскопах.
Конфигурации БОМ
На практике используются несколько конструктивных схем ближнепольного оптического микроскопа [52]. Основные конфигурации БОМ показаны схематично на рис. 101. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью волоконного зонда. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследование образцов как на отражение (рис. 101 (а)), так и на просвет (рис. 101 (б)). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация БОМ широко используется в экспериментах по ближнепольной оптической литографии.
В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как, например, при исследовании локальных нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда (рис. 101 (в), (г)).
106 |
Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии |
Лазер |
Фотодетектор |
(а) |
Фотодетектор |
Лазер |
(в)
Лазер
Фотодетектор |
(б) |
Фотодетектор |
Лазер |
(г) |
Рис. 101. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопа
На рис. 102 в качестве примера приведено АСМ / БОМ изображение полупроводниковой структуры InAs/GaAs с квантовыми точками, полученное с помощью микроскопа, работающего по схеме, показанной на рис. 101 (а) [12].
Рис. 102. “Shear force” АСМ изображение рельефа поверхности (слева) и ближнепольное оптическое изображение (справа) образца с квантовыми точками InAs [12]
107
В эксперименте использовался HeCd лазер (λ=442 нм). Ближнепольное оптическое изображение образца представляет собой совокупность отраженного от поверхности образца излучения и люминесцентного излучения, соответствующего переходу между уровнями размерного квантования в InAs точках.
Интересная, но менее распространенная схема, в которой возбуждение структуры и прием ближнепольного излучения осуществляются через зонд микроскопа, приведена на рис. 103.
Лазер |
Фотодетектор |
Рис. 103. Схема БОМ, в котором засветка образца и прием излучения осуществляются с помощью одного и того же зонда
Такое совмещение ближнепольного источника с ближнепольным приемником является весьма многообещающим методом, обеспечивающим очень высокое пространственное разрешение. Однако в данной схеме излучение дважды проходит через субволновое отверстие. Это приводит к тому, что приходящий на фотоприемник сигнал имеет очень низкую интенсивность, и требуются высокочувствительные методы его регистрации. Сопряжение БОМ с оптическим монохроматором позволяет проводить локальные спектроскопические исследования образцов. Основные области применения ближнепольных оптических микроскопов - это исследование локальных оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых фоточувствительных структур, исследование биологических объектов, нанотехнология.
Заключение
Таким образом, в данном пособии кратко изложены основы сканирующей зондовой микроскопии – одного из самых современных методов исследования свойств поверхности. Рассмотрены принципы работы основных типов зондовых микроскопов (сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа, электросилового микроскопа, магнитно-силового микроскопа, ближнепольного оптического микроскопа), наиболее широко используемых в научных исследованиях. К сожалению, за рамками данной книги остались ряд других приборов, работающих на принципах СЗМ, и большое количество исследовательских методик с применением зондовых микроскопов.
Частичное представление об основных этапах развития СЗМ можно получить из хронологической таблицы [53], приведенной на следующей странице книги. В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия – это бурно развивающийся метод исследования поверхности с высоким пространственным разрешением и мощный инструмент для решения задач нанотехнологии – технологии создания приборных структур с субмикронными размерами.
Основные этапы развития СЗМ [53]
1981 - Сканирующая туннельная микроскопия. G.Binnig H Rohrer. Атомарное разрешение на проводящих образцах.
1982 – Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп. D.W.Pohl. Разрешение 50 нм в оптическом изображении поверхности.
1984 – Сканирующий емкостной микроскоп. J.R.Matey, J.Blanc. Реализовано разрешение 500 нм в емкостном изображении.
1985 – Сканирующий тепловой микроскоп. C.C.Williams, H.K.Wickramasinghe.
Разрешение 50 нм в тепловом изображении поверхности.
1986 – Атомно-силовой микроскоп. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber.
Атомарное разрешение на непроводящих (и проводящих) образцах.
1987 – Магнитно-силовой микроскоп. Y.Martin, H.K.Wickramasinghe.
Разрешение 100 нм в магнитном изображении поверхности.
-Микроскоп на силах трения. C.M.Mate, G.M.McClelland, S.Chiang.
Изображение латеральных сил на атомных масштабах.
-Электросиловой микроскоп. Y.Martin, D.W.Abraham, H.K.Wickramasinghe.
Детектирование единичных зарядов на поверхности образцов.
-Неупругая туннельная СТМ спектроскопия. D.P.E.Smith, D.Kirk, C.F.Quare. Регистрация фононных спектров молекул в СТМ.
1988 – Микроскоп на основе баллистической эмиссии электронов. W.J.Kaiser. Исследование барьеров Шоттки с нанометровым разрешением.
-Инвертированный фотоэмиссионный микроскоп. J.H.Coombs, J.K.Gimzewski, B.Reihl J.K.Sass, R.R.Schlittler
Регистрация спектров люминесценции на нанометровых масштабах.
110
1989 – Ближнепольный акустический микроскоп. K.Takata, T.Hasegawa, S.Hosaka, S.Hosoki. T.Komoda
Низкочастотные акустические измерения с разрешением 10 нм.
-Сканирующий шумовой микроскоп. R.Moller A.Esslinger, B.Koslowski.
Регистрация туннельного тока без приложения напряжения.
-Сканирующий микроскоп, регистрирующий прецессию спина. Y.Manassen, R.Hamers, J.Demuth, A.Castellano.
Визуализация спинов в парамагнетике с разрешением 1 нм.
-Сканирующий микроскоп на ионной проводимости.
P.Hansma, B.Drake, O.Marti, S.Gould, C.Prater.
Получение изображения поверхности в электролите с разрешением 500 нм.
-Сканирующий электрохимический микроскоп. O.E.Husser, D.H.Craston, A.J.Bard.
1990 – Микроскоп, регистрирующий изменения химического потенциала. C.C.Williams, H.K. Wickramasinghe
-СТМ, регистрирующий фото-э.д.с. R.J.Hamers, K.Markert.
Регистрация распределения фото-э.д.с с нанометровым резрешением.
1991 – Сканирующий зондовый микроскоп на методе Кельвина. N.Nonnenmacher, M.P.O’Boyle, H.K.Wickramasinghe.
Измерения поверхностного потенциала с разрешением 10 нм.
1994 – Безапертурный ближнепольный оптический микроскоп. F.Zenhausern, M.P.O’Boyle, H.K.Wickramasinghe.
Оптическая микроскопия с разрешением 1 нм.